基于Web of Science数据库的厌氧消化研究文献计量分析

2021-08-12郭荣欣杨依雯郑旭升张芷晗王雪波邹德勋刘研萍

中国沼气 2021年3期

郭荣欣，杨依雯，郑旭升，张芷晗，王雪波，邹德勋，刘研萍

(北京化工大学化学工程学院环境科学与工程系，北京 100029)

随着全球人口快速增长，工农业的飞速发展和城市化进程加快，能源短缺及环境污染问题日益突出[1]。厌氧消化技术不但可以有效的处理人类各种活动产生的污染物，而且会产生清洁可再生能源—甲烷[2]。对厌氧消化技术的研究和进一步优化已成为当前各国不断探寻和开发的重要目标。

厌氧消化技术具体是指在无氧条件下通过微生物(如水解产酸菌、产甲烷菌等)的代谢作用将废物中可生物降解的有机物转化为CH4，CO2和稳定物质的生物化学过程[3]。自1977年我国首篇关于厌氧消化的文献发表至今我国关于厌氧消化的相关研究已经进行了数十年[4]，不论是从技术方面的创新、优化，相关法律、法规的提出都取得了十分卓越的成效。我国厌氧消化技术也从农村较分散的化粪池、沼气池等发展到集中式、工业规模的综合型厌氧消化处理工艺。

为了更好的了解厌氧消化技术的研究现状及发展趋势，本文采用Web of Science(WOS)核心数据库通过文献计量学的方法并对全球厌氧消化技术的相关研究内容进行可视化分析和统计分析，使用可视化分析的手段整理了厌氧消化技术的研究现状与未来面临的问题，从而为学者们今后进一步研究提供一定的参考。

1 数据来源及统计方法

1.1 文献计量网络分析

文献计量网络分析是在文献计量学的基础上与社会网络分析相结合来对某一学科领域进行宏观回顾的高效方式[5]。其通过形成网络结构的方法建立了基于国家、期刊、机构、作者以及关键词之间的知识图谱，而已经被大量使用且被证明是一种定量评估学术文献的发展趋势的有效工具[6]。

本文使用VOSviewer(1.6.15版)软件进行了文献计量网络分析，该软件的主要技术术语见表1[7]。

表1 VOSviewer软件的主要技术术语

1.2 数据来源

所有数据来源于WOS数据库中的核心集合，以主题为检索项目，检索条件为(Anaerobic digestion)检索时间范围设置为WOS数据库包含的所有可用出版年份，数据库将时间自动设置为2001～2020年，共得到检索结果22275条记录。所有数据均保存为“纯文本”文件，其中包含“完整记录和引用的参考文献”。所有数据截止于2020年7月31日。以此作为分析对象进行下一步的文献计量网络分析。

1.3 统计方法

本研究使用SPSS软件分析了有关厌氧消化的发文数量趋势，并使用ARIMA模型进行了时间序列分析并预测了2020年的全年发文量。同时使用Tableau软件对发文国家进行可视化。使用VOSviewer对发文国家、发文作者和引文进行共现分析并对关键词进行聚类和共现分析。通过形成知识图谱对全球的厌氧消化研究领域进行总结与回顾。

2 结果与讨论

2.1 文献类型

首先对得到的样本进行了文献类型统计。表2列出了检索到的22275篇文章的文献类型，其中研究论文18900篇，占比84.85%。在各种文章类型中研究论文在一定程度上可以很好地反应出该领域地发展趋势和进展方向。

表2 2001～2020年期间发表的文献类型信息

2.2 文献发表数量及增长趋势

某领域的发文量在一定程度上可以很好的反映出该领域的受重视程度，根据检索的结果来看，从2001～2019年的19年间该领域共发文20041篇。如图1所示，自2001年以来，有关厌氧消化的文章逐年增加，并在近年来增速上升显著。在使用SPSS软件进行时间序列分析后预测2020年的全年发文量将达到3014篇。说明有关厌氧消化的研究虽然已经进行多年，但是依旧受到学者们的关注[8-9]。

图1 2001～2019 年相关文献年度变化趋势图以及 2020 年发文量预测

2.3 学科类别分析

表3显示了2001至2020年在厌氧消化研究中排名前5的学科，其中工程类是最多的学科，共发表了8450篇文章，说明对厌氧消化的工程应用是全球学者们关注的重点。环境科学与生态学发文8384篇文章，位居第二，此外微生物学以及化学等学科同样具有一席之地。

表3 各学科发文量以及占比

2.4 主要发文国家与机构

对进行厌氧消化研究的国家的发文量使用Tableau软件进行可视化分析，如图2所示。来自中国发文量最多，达到5011篇，占到发文总量的22.496%。此结果有力地说明了我国对厌氧消化的研究十分重视，并取得了瞩目成果。

图2 厌氧消化研究文章各国家发文量统计图

使用VOSviewer对发文国家进行聚类分析，如图3所示，结果显示国家之间的聚类明显，合作度较高。国家的中心性用来表示该国家在某研究领域的国际地位，链接强度则表明了与其余国家的合作次数。其中中国在网络图谱中的节点大小以及链接强度均为最高。不但说明我国在该领域研究的活跃性最高同时研究成果也具有很强的国际影响力。其次具有一定中心性的国家为美国、西班牙、德国等。

图3 厌氧消化研究文章发文国家聚类网络图

全球范围内共有8043所机构对厌氧消化技术进行了研究，如表4所示，发文量前10的机构中有5所来自中国。这些机构共发文3693篇占到全部检索结果的16.58%。其中，中国科学院以647篇的发文量位居第一，占比达到2.905%。厌氧消化文献发表量前10名的研究机构来自6个国家，而其中有5所来自中国，说明了在厌氧消化的研究上中国相较于其他国家具有很大的优势。

2.5 主要发文期刊与作者

在厌氧消化的研究上共涉及了39162位作者，其中发文量在50篇以上的有93位，排名前10的作者信息见表5。该10位作者共发文1345篇，占到全部作者发文总量的6.04%。发文量前3位的作者分别来自丹麦、中国和法国，这些作者的发文量合计占到前10名作者发文总量的42.00%；10位作者中来自中国的最多，有6位，说明中国学者在厌氧消化研究领具有一定的优势。丹麦技术大学的Angelidaki Irini的发文量达到208篇，位居榜首且H指数也位居第一。综合表4可知，我国有五所高校和研究所列入前10名，其次是欧洲，并且欧洲的大型厌氧消化工程亦处于世界前列。目前欧盟国家的沼气发电在17662个工厂中达到了9985 MWe的装机容量[10]。

表4 发文量前10位研究机构

表5 发文量前10名作者信息

本研究检索出的有关厌氧消化研究的期刊共2037个。按照发表数量，表6列出了排名前10的期刊以及其发文量、H指数、所属国家和影响因子(greenSCI，2019年)。发文量在100篇以上的共37个，200篇以上的19个。其中最为突出的是BioresourceTechnology共刊发了2952篇有关厌氧消化的文章，占到发文总量的13.25%。同时该期刊的文章被引用总次数高达107426次，同时H指数也位居第一，说明该刊在厌氧消化领域具有举足轻重的地位。WaterResearch的影响因子最高，为9.13。图4为使用VOSviewer软件对各个期刊进行共现分析的结果，可以看出BioresourceTechnology在网络图谱中的节点大小以及链接强度均为最高从而体现出了最高的中心性。说明其不但在发文数量上位居首位同时在被引次数上也是第一，印证了其在厌氧消化研究领域的核心地位。

表6 刊发文章数量前10种期刊

图4 厌氧消化研究发文期刊共现网络图

2.6 文章被引频次分析

表7按照总被引次数统计了前10篇被引文献，其中来自University of North Carolina的Cheng Jay J于2008年在BioresourceTechnology上发表的题为Inhibitionofanaerobicdigestionprocess:Areview[11]一文被引次数最多，高达到2407次，位居第一。该文认为厌氧消化技术由于其可以同时实现对污染物的控制以及对生物质能的利用而成为一种极具潜力的固体废物的处理方法。许多的农业和工业固体废物由于含有大量的可生物降解的成分，因此成为了理想的厌氧消化的理想原料。但是，厌氧消化系统中经常会发生甲烷产量低或者是工艺不稳定等问题从而阻碍了厌氧消化技术的大规模产业化应用。而对于厌氧消化过程中所产生的大量抑制性物质如：氨、硫化物、金属离子以及重金属等则是厌氧消化反应器出现故障的主要原因。而在众多文献中由于接种物、原料以及实验条件的差异使得对特定物质引起的抑制性作用的结果千差万别。但是，采用共消化的方法、让微生物对抑制性物质产生耐受性以及在预处理过程中对有毒物质进行有效地去除都可以显著地提高厌氧消化的效率。其余的文章被引数量基本在700次以上，如此高的被引次数说明了对厌氧消化技术的研究一直是目前环境科学领域的热点问题之一。

表7 被引文献及其被引量(Top10)

2.7 关键词分析

2.7.1 关键词共现频次分析

对检索出的22275文章中出现的38699个关键词使用VOSviewer软件进行可视化分析，其中出现频次大于150的关键词共有233个。图5显示，共现频次较高的关键词有厌氧消化、沼气、产甲烷量、消化、共消化、餐厨垃圾、污泥、预处理以及甲烷等，说明这些关键词经常在文献中出现[21-25]。

图5 关键词共现频次密度图

2.7.2 关键词聚类与演进分析

使用VOSviewer软件对出现频次大于150的关键词的聚类进行分析，结果见图6。排名前7的关键词的属性见表8可以看出出现频次大于150的关键词共233个，它们的节点大小代表了总连接强度，各个关键词节点之间的接近程度表明了这些研究主题之间的关联程度。“厌氧消化”是总链接强度最高的关键词，总链接强度第二的则是“沼气”。表8显示了而厌氧消化的评价指标通常选用产沼气量和产甲烷量，这2个关键词排名分别为第三和第四。共消化是目前的研究热点，位列第五；共消化可通过各类底物的混合实现营养的平衡和微生物的富集，提高底物降解效率，优化产气性能并提高系统稳定性。“Co-Digestion”与“Biogas Production”和“Microbial Community”等关键词的相似的出现时间也体现出了共消化的研究目的。网络图中的共消化“Co-Digestion”与“Manure”，“Food Waste”和“Straw”等底物链接强度很高，在一定程度上说明了餐厨垃圾、粪污和秸秆是进行共消化研究中的常见底物。另外，餐厨垃圾位列第六，并与“pH”和“Volatile Fatty-Acids”的链接强度很高，这是因为餐厨垃圾厌氧消化易酸化，快速转化为挥发性脂肪酸而降低系统pH值，餐厨垃圾厌氧消化的大量研究集中于解决酸化问题。

图6 关键词聚类网络图

表8 依据总连接强度排名前7的关键词

2.7.3 关键词共现热点演进分析

关键词的出现时间在一定程度上也反映了厌氧消化研究热点的演进路径。通过VOSviewer软件，对关键词的出现时间进行分析，如图7所示。可以看出对厌氧消化的研究关键词由“消化”、“UASB”、“毒性”转向“预处理”、“碱性预处理”、“活性污泥”、“秸秆”、“牛粪”等。而目前研究的关键词则包括：“生命周期评价”、“种间电子传递”、“微生物群落”等。关键词的演进过程呈现出了厌氧消化的研究进程是：从基础理论的建立向工程应用的转变，再到对微观机理的细致分析，以及引入环境管理的视角对厌氧消化技术进行分析。图7中于2017年出现的“Interspecies Electron-Transfer”，仅和“Methane Production”和“Anaerobic Digestion”有链接。这是由于近年的研究发现向厌氧消化体系中添加导电材料可以促进甲烷的产生[27-29]；促进机制主要通过微生物群落功能进行阐述。近年来通过16S rRNA 基因组、宏基因组、宏转录组和宏蛋白组的分子生物学的方法对厌氧消化过程中的微生物群落结构以及多样性进行了深入研究。对于能够进行种间电子传递的微生物种类、种间电子传递的具体机制以及影响种间电子传递的因素仍需深入研究。